CN103107087B - 与锗硅异质结npn三极管集成的pnp三极管的制造方法 - Google Patents
与锗硅异质结npn三极管集成的pnp三极管的制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种与锗硅异质结NPN三极管集成的PNP三极管的制造方法，包括步骤：在PNP区域的N型基区的离子注入完成后，利用P型阱光刻掩膜进行硅离子注入，使PNP三极管的基区的硅表面的晶格结构被破坏。在NPN区域的N型集电区形成后，在NPN区域和PNP区域同时采用外延生长工艺形成锗硅层。本发明方法通过对PNP区域的基区的硅表面进行硅离子注入，能使PNP区域的基区的硅表面变成非晶结构，从而能使后续在PNP区域通过外延生长形成的锗硅层为多晶结构，这样就有利于在后续对PNP三极管进行发射区的离子注入时离子能够扩散到整个发射区的锗硅层中，从而能提高PNP三极管的发射区的掺杂浓度，提高器件的发射效率以及器件的放大系统，并能增加器件的截止频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路的制造方法，特别是涉及一种与锗硅异质结NPN三极管集成的PNP三极管的制造方法。
背景技术
在射频产品的实际应用中，需要越来越高的器件特征频率。NPN三极管，特别是锗硅(SiGe)异质结三极管(HBT)或者锗硅碳(SiGeC)异质结三极管是超高频器件的很好选择。并且SiGe工艺基本与硅工艺相兼容，因此SiGe HBT已经成为超高频器件的主流之一。在这种背景下，其对输出器件的要求也相应地提高，比如具有一定的电流增益系数(不小于15)和截止频率。
对于双极型场效应晶体管(BiCMOS)工艺来说，作为NPN器件即锗硅异质结NPN三极管的互补，PNP器件也非常重要。PNP器件通常分为横向PNP与纵向PNP两种。其中纵向PNP器件的性能较高，也是在高性能应用中所需要的。但是纵向PNP器件和NPN器件的集成的难度较大，甚至无法进行集成。而横向PNP器件的性能较差，但是器件的集成比较容易。
如图1所示，是现有与锗硅异质结NPN三极管集成的PNP三极管的结构示意图；现有PNP三极管为一种纵向PNP器件。在所述P型衬底201上形成有N型深阱202，现有PNP三极管形成于所述N型深阱202中并被所述N型深阱202包围；有源区由浅槽场氧203隔离即浅沟槽隔离(STI)， 现有PNP三极管包括：
集电区214，由形成于所述有源区中的一P型离子注入区组成，所述集电区214的深度大于或等于所述浅槽场氧203的底部深度；所述集电区214横向延伸到所述有源区周侧的所述浅槽场氧203的底部一段距离，在所述集电区214横向延伸部分中形成有重掺杂的P型埋层215，在所述P型埋层215顶部的所述浅槽场氧203中形成有深孔接触205，该深孔接触205和所述P型埋层215接触并引出集电极。
基区211，由形成于所述集电区214顶部的所述有源区中并和所述集电区214相接触的一N型离子注入区组成。在所述有源区上形成有多晶硅213，该多晶硅213和所述基区211接触，接触区域小于所述有源区的尺寸、且接触区域的位置和大小是由二氧化硅212和氮化硅210形成的基区接触窗口定义。在所述多晶硅213上形成有金属接触206引出基极。
发射区209，由形成于所述基区211顶部的锗硅单晶组成，所述发射区209和所述基区211相接触，在所述发射区209上形成有金属接触206引出发射极。金属层207最后将器件引出实现互连。
现有PNP三极管的发射区209的锗硅单晶形成工艺和采用现有锗硅异质结NPN三极管的所述基区的锗硅单晶形成工艺相同并且是同时形成。现有PNP三极管的引出所述基区211的所述多晶硅213采用现有锗硅异质结NPN三极管的所述发射区的多晶硅的工艺。
但是对现有PNP三极管的器件特性进行验证发现，其性能并不理想，放大系数比较小，截止频率也较低。其主要原因是所述发射区209的实际掺杂水平较低。
现有PNP三极管的所述发射区209的掺杂是通过注入来进行，并且和现有锗硅异质结NPN三极管的外基区注入共享即采用相同工艺同时注入形成。由于现有锗硅异质结NPN三极管的锗硅的厚度非常薄，因此其外基区注入能量也非常小，只有5KEV～10KEV。由于现有PNP三极管的发射区209为共享现有NPN三极管的所述基区的锗硅单晶，为了降低现有NPN三极管的基区宽度，提高NPN的性能，因此锗硅单晶中掺杂含有一定浓度的碳。这些碳能够抑制硼的扩散。因此导致现有PNP三极管的所述发射区209的掺杂尽管剂量很大，但是因为能量很小，无法打穿这一层锗硅合金中的碳层，导致绝大多数的硼被抑制在发射区209的锗硅单晶非常靠近表面的区域。而又因为现有PNP三极管的所述发射区209在后续工艺过程中需要生长一层金属硅化物，因此导致所述发射区209的锗硅单晶的表面重参杂的区域掺杂被消耗大部分，从而使现有PNP三极管的发射系数很低并导致器件放大系数较低，截止频率也不够高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种与锗硅异质结NPN三极管集成的PNP三极管的制造方法，能提高PNP三极管的发射区的掺杂浓度，从而提高器件的发射效率以及器件的放大系统，并能增加器件的截止频率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种与锗硅异质结NPN三极管集成的PNP三极管的制造方法，硅衬底分为形成NPN三极管的NPN区域和形成PNP三极管的PNP区域，在浅沟槽隔离工艺完成之后，在所述PNP区域利用P型阱光刻掩膜定义出所述PNP三极管的P型集电区的离子注入区域，利用所述P型阱光刻掩膜进行P型离子注入形成所述PNP三极管的集电 区，所述PNP三极管的集电区的P型离子注入采用P型阱的离子注入工艺；之后，同样利用所述P型阱光刻掩膜进行N型离子注入形成所述PNP三极管的基区；在形成所述PNP三极管的基区之后，利用所述P型阱光刻掩膜进行硅离子注入，所述硅离子注入使所述PNP三极管的基区的硅表面的晶格结构被破坏。
在所述NPN区域的N型集电区形成后，在所述NPN区域和所述PNP区域同时采用外延生长工艺形成锗硅层；所述锗硅层在所述PNP区域为多晶结构，多晶硅结构的所述锗硅层用于形成所述PNP三极管的发射区；所述锗硅层在所述NPN区域为单晶结构，单晶结构的所述锗硅层用于形成所述NPN三极管的基区。
进一步的改进为，在形成所述锗硅层时还包括碳掺杂的工艺。
进一步的改进为，还包括步骤，采用所述NPN三极管的外基区的离子注入工艺在所述PNP三极管的发射区的所述锗硅层和所述NPN三极管的外基区的所述锗硅层中同时进行离子注入。
进一步的改进为，在外延生长所述锗硅层前，还包括在所述PNP区域形成发射区窗口的步骤，所述发射区窗口定义出所述PNP三极管的发射区和基区的接触区域；所述发射区窗口由发射区窗口介质层光刻刻蚀后形成。
本发明方法通过对PNP区域的基区的硅表面进行硅离子注入，能使PNP区域的基区的硅表面变成非晶结构，从而能使后续在PNP区域通过外延生长形成的锗硅层为多晶结构，这样就有利于在后续对PNP三极管进行发射区的离子注入时离子能够扩散到整个发射区的锗硅层中，从而能提高 PNP三极管的发射区的掺杂浓度，提高器件的发射效率以及器件的放大系统，并能增加器件的截止频率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有PNP三极管的结构示意图；
图2是本发明实施例方法流程图；
图3A-图3G是本发明实施例方法各步骤中PNP三极管的结构示意图。
具体实施方式
如图2所示，本发明实施例方法流程图，如图3A至图3G所示，是本发明实施例方法各步骤中PNP三极管的结构示意图。本发明实施例与锗硅异质结NPN三极管集成的PNP三极管的制造方法包括如下步骤：
步骤一、如图3A所示，P型硅衬底1分为形成NPN三极管的NPN区域和形成PNP三极管的PNP区域。采用刻蚀工艺在P型硅衬底1上形成有源区和浅沟槽3a。刻蚀工艺的掩膜层采用氮化硅硬质掩模4，所述氮化硅硬质掩模4的形成方法为首先在所述硅衬底上生长一氮化硅层、再通过光刻刻蚀工艺将要形成所述浅沟槽的区域的所述氮化硅去除、使所述氮化硅硬质掩模4只覆盖于所述硅衬底1的所述有源区表面上。所述氮化硅硬质掩模4的厚度为300埃～800埃。
所述浅沟槽3形成后，再通过N型深阱注入在所述PNP区域形成深阱2。
步骤二、如图3B所示，在所述浅沟槽3a底部进行P型离子注入形成掩埋层6。所述掩埋层6的P型离子注入的工艺条件为：注入剂量为1e14 cm-2～1e16cm-2、能量为小于15keV、注入杂质为硼或二氟化硼。
步骤三、如图3C所示，进行退火工艺，所述掩埋层6横向和纵向扩散进入所述有源区中。在所述浅沟槽3a中填入氧化硅形成浅槽场氧3也即浅沟槽隔离。
在所述有源区中进行P型离子注入形成集电区7，所述集电区7的深度大于或等于所述浅槽场氧3的底部深度并和所述掩埋层6形成接触。所述集电区7的P型离子注入的采用P型阱的离子注入工艺，注入杂质为硼，注入剂量为6e12cm-2～8e12cm-2、注入能量为150keV～170keV。所述集电区7的P型离子注入时的掩膜层采用P型阱光刻掩膜，所述P型阱光刻掩膜由光刻胶4a经过光刻刻蚀后形成，未被所述P型阱光刻掩膜的光刻胶4a覆盖的区域即为所述集电区7的P型离子注入区域，该区域位于所述有源区的正上方并大于等于所述有源区。
同样利用所述P型阱光刻掩膜进行N型离子注入形成所述PNP三极管的基区7；所述基区7的N型离子注入的工艺条件为：注入杂质为砷、能量条件为120Kev～140Kev、剂量为2e12cm-2～2e13cm-2。
如图3D所示，在形成所述PNP三极管的基区7之后，利用所述P型阱光刻掩膜进行硅离子注入，所述硅离子注入使所述PNP三极管的基区7的硅表面7a的晶格结构被破坏。所述硅离子注入的能量条件为5Kev～10Kev、剂量为5e14cm-2～1e15cm-2。
步骤四、如图3E所示，在所述PNP区域形成发射区窗口，所述发射区窗口定义出所述PNP三极管的发射区和基区的接触区域；所述发射区窗口由发射区窗口介质层7a光刻刻蚀后形成。所述发射区窗口为于所述有 源区的正上方且小于所述有源区的大小。所述发射区窗口介质层7a能是氧化膜，氮化硅，或者氧化膜加氮化硅，氮氧化膜加氮化膜。
在所述NPN区域的N型集电区形成后，在所述NPN区域和所述PNP区域同时采用外延生长工艺形成锗硅层；在所述PNP区域的所述发射区窗口下的硅表面7a为非晶结构，所述锗硅层在所述PNP区域也为多晶结构，多晶硅结构的所述锗硅层用于形成所述PNP三极管的发射区8。所述锗硅层在所述NPN区域为单晶结构，单晶结构的所述锗硅层用于形成所述NPN三极管的基区。对所述锗硅层进行刻蚀形成所述PNP三极管的发射区8。所述锗硅层还能掺入碳杂质。
步骤五、如图3F所示，淀积多晶硅层9，然后刻蚀形成图形。刻蚀后的所述多晶硅层9和所述基区7相接触，在所述多晶硅层9进行N型掺杂，最后作为所述基区7的引出结构。在所述NPN区域中也淀积一多晶硅层，该多晶硅层为N型掺杂并作为所述NPN器件的发射极。
采用所述NPN三极管的外基区的离子注入工艺在所述PNP三极管的发射区8的所述锗硅层和所述NPN三极管的外基区的所述锗硅层中同时进行离子注入，该离子注入的注入杂质为硼、能量为5Kev、剂量为1e15cm-2。
步骤六、如图3G所示，在所述掩埋层6顶部的所述浅槽场氧3中形成深孔接触11引出集电极；形成基区的金属接触11引出基极；形成发射区的金属接触11引出发射极；最后在集电极、基极、发射极的接触上形成金属连线引出各电极。所述基区的金属接触11直接和所述多晶硅层9相接触，所述发射区8的金属接触11是直接和所述发射区8的锗硅层接触，在所述多晶硅层9和所述发射区8的表面都能形成有一金属硅化物。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种与锗硅异质结NPN三极管集成的PNP三极管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、P型硅衬底分为形成NPN三极管的NPN区域和形成PNP三极管的PNP区域；采用刻蚀工艺在P型硅衬底上形成有源区和浅沟槽；所述浅沟槽形成后，再通过N型深阱注入在所述PNP区域形成深阱；
步骤二、在所述浅沟槽底部进行P型离子注入形成掩埋层；
步骤三、进行退火工艺，所述掩埋层横向和纵向扩散进入所述有源区中，在所述浅沟槽中填入氧化硅形成浅槽场氧；
在所述有源区中进行P型离子注入形成集电区，所述集电区的深度大于或等于所述浅槽场氧的底部深度并和所述掩埋层形成接触；所述集电区的P型离子注入的采用P型阱的离子注入工艺；所述集电区的P型离子注入时的掩膜层采用P型阱光刻掩膜；
同样利用所述P型阱光刻掩膜进行N型离子注入形成所述PNP三极管的基区；
在形成所述PNP三极管的基区之后，利用所述P型阱光刻掩膜进行硅离子注入，所述硅离子注入使所述PNP三极管的基区的硅表面的晶格结构被破坏；
步骤四、在所述PNP区域形成发射区窗口，所述发射区窗口定义出所述PNP三极管的发射区和基区的接触区域；所述发射区窗口由发射区窗口介质层光刻刻蚀后形成；所述发射区窗口为于所述有源区的正上方且小于所述有源区的大小；
在所述NPN区域的N型集电区形成后，在所述NPN区域和所述PNP区域同时采用外延生长工艺形成锗硅层；在所述PNP区域的所述发射区窗口下的硅表面为非晶结构，所述锗硅层在所述PNP区域也为多晶结构，多晶硅结构的所述锗硅层用于形成所述PNP三极管的发射区；所述锗硅层在所述NPN区域为单晶结构，单晶结构的所述锗硅层用于形成所述NPN三极管的基区；对所述锗硅层进行刻蚀形成所述PNP三极管的发射区；
步骤五、淀积多晶硅层，然后刻蚀形成图形；刻蚀后的所述多晶硅层和所述基区相接触，在所述多晶硅层进行N型掺杂，最后作为所述基区的引出结构；在所述NPN区域中也淀积一多晶硅层，该多晶硅层为N型掺杂并作为所述NPN器件的发射极；
步骤六、在所述掩埋层顶部的所述浅槽场氧中形成深孔接触引出集电极；形成基区的金属接触引出基极；形成发射区的金属接触引出发射极。
2.如权利要求1所述的与锗硅异质结NPN三极管集成的PNP三极管的制造方法，其特征在于：在形成所述锗硅层时还包括碳掺杂的工艺。
3.如权利要求1所述的与锗硅异质结NPN三极管集成的PNP三极管的制造方法，其特征在于：还包括步骤，采用所述NPN三极管的外基区的离子注入工艺在所述PNP三极管的发射区的所述锗硅层和所述NPN三极管的外基区的所述锗硅层中同时进行离子注入。
4.如权利要求1所述的与锗硅异质结NPN三极管集成的PNP三极管的制造方法，其特征在于：在外延生长所述锗硅层前，还包括在所述PNP区域形成发射区窗口的步骤，所述发射区窗口定义出所述PNP三极管的发射区和基区的接触区域；所述发射区窗口由发射区窗口介质层光刻刻蚀后 形成。
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